無人機傾斜攝影測量在河湖劃界中的應用
——以資水河為例

楊 亮,譚 詹,任 玖

(1.四川晟堡途工程技術服務有限公司，成都 溫江，611131；

2.四川水利職業技術學院，四川 崇州，611231)

1 引言

加強河湖水域岸線管理，精準實施一河一策保護治理，河湖劃界是必不可少的工作[1]。地形圖是河湖劃界管理工作中必不可少的原始資料，所以地形圖測繪是河湖劃界工作中重要的一步。傳統的測圖方式效率低，外業工作量大，周期長，安全風險高，成本投資大，部分人無法到達的地方測量精度低。無人機傾斜攝影測量技術的興起，有效地解決了上述種種困難。無人機傾斜攝影測量具有效率高，外業工作量占比小，周期短，外業安全風險相對較低，成本低，精度高等特點。

在河湖劃界工作中河流線路長，涉及內容多，部分區域交通不便，所以如采取傳統地形圖測量方式快速獲取河道1∶2000帶狀地形圖尚存在困難，顯然不能滿足在2020年底前基本完成河湖劃界工作的工期要求[2]。但是將無人機傾斜攝影測量技術運用于河湖劃界工作中，就能夠快速、高效、準確地獲取1∶2000河道帶狀地形圖，從而準時準點按要求完成河湖劃界工作。本文對無人機傾斜攝影測量技術在河湖劃界中的實際應用進行探討。

2 無人機傾斜攝影測量技術

2.1 無人機傾斜攝影測量的基本原理

無人機傾斜攝影測量是利用無人機搭載云臺，分別從五個角度獲取高分辨率的真彩色影像。通常情況是采用專業的航攝五鏡頭相機，即集前視、后視、左視、右視、俯視于一體的航攝相機，此相機在曝光瞬間可以同時獲取同一地物在五個方向上的高分辨率影像[3]。再輔以能獲取相機位置的GPS定位裝置，可獲取曝光瞬間該點的空間直角坐標(即POS數據)。無人機IMU裝置主要對無人機的飛行姿態進行監控以及糾正。

利用獲取的高分辨率影像、POS數據，以及像片控制點經過內定向、相對定向、絕對定向、區域網平差、三維模型重建、裸眼三維采集等，制作所需的測繪數據[3]。

2.2 無人機傾斜攝影測量的技術流程

無人機傾斜攝影測量技術已經形成一套科學完整的操作流程[4]，主要包括外業傾斜攝影，內業空中三角測量以及三維模型重建，裸眼三維采集，外業調繪、補測、圖幅整飾、成果資料上交[5]。傾斜攝影測量技術流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量技術流程

2.3 傾斜攝影

2.3.1 前期準備

收集資料并進行空域申請，根據測區范圍進行相片控制點測量。為了提高成圖精度本項目采用先相控后航飛的方式進行，在制作和選取相片控制點時，要選在交通便利，易于保存，不易被遮擋，明顯易見的地方。

2.3.2 航攝參數設計

(1)飛行器選擇

飛行器的選擇應根據成圖比例尺，測區地理情況，測區范圍，作業成本等進行綜合考慮。

(2)航線規劃

航線規劃是對整個項目的整體規劃，根據測區范圍、飛行器、飛行參數、航攝方式等進行規劃[6]。

(3)航高設置

飛行高度是根據成圖比例尺和地面分辨率進行確定[6]，其關系如下

式中：H——航高；

f——相機焦距(mm)；

GSD——地面分辨率(mm)；

a——像元尺寸大小(mm)。

2.3.3 航飛

根據航飛范圍，分別選擇合適的起降點并組裝飛機。起降點通常選擇在航飛區域的中心位置，這樣可以讓起飛點到各航點的距離大致相等，使得飛機不管在任何位置都可以快速地返航以及減小數據傳輸距離，避免數據丟失。每天航飛任務結束后需立刻拷貝出照片及POS數據，查看照片數量以及質量，如出現漏拍，數據丟失，影像質量差等情況應及時對有問題的區域進行補飛。

2.3.4 內業數據處理

在收到外業數據后，對數據的完整性進行檢查，查看照片張數與POS數據是否相等，像控點現場照片和數據是否完整。然后利用ContextCapture Center 強大的多視影像匹配算法，進行空中三角測量和三維模型重建[7]。在經過初次空中三角測量、相片控制點和檢查點轉刺、再次空中三角測量后，進行三維模型重建，輸出OSGB格式的三維模型數據，然后在三維模型重建的基礎上生成DOM數據。

2.3.5 DLG數據生產

利用裸眼三維測圖軟件，對居民地、交通設施、水系設施、管線設施、工礦建筑、地貌土質、植被土質等地形地貌進行采集。采用先內后外，內業定位，外業定性[8]，內外結合的方式進行1∶2000DLG數據的生產。

2.3.6 外業調繪與補測

外業對內業無法判別其屬性或由于模型拉花不能準確判定其邊界線的地物、地名等進行調繪與補測[7]。然后在已采集的DLG數據的基礎上進行修改、整飾。

2.3.7 精度驗證

將實測的檢查點坐標與其在模型中對應位置的坐標值進行比較，分別得出X、Y、Z的差值記為△X、△Y、△Z，然后根據誤差公式計算其中誤差。檢查點坐標較差但在允許中誤差2倍以內的誤差值參與精度統計，超過2倍允許誤差的計為粗差，不參與統計[10]。檢查點中誤差計算公式如下：

式中：M——檢查點中誤差(m)；

△——點位中誤差(m)；

n——參與精度評定的點位的個數。

3 應用實例

3.1 概況

本案例位于四川省成都市金堂縣境內，資水河經德陽市流入金堂縣，途經金堂縣金龍鎮、福興鎮、三溪鎮、隆盛鎮、轉龍鎮、竹篙鎮、又新鎮、云合鎮流入資陽市，金堂縣境內全長68km。

3.2 具體實施

3.2.1 外業航飛

由于本項目地處丘陵地區，且線路較長，飛行寬度不寬。在進行綜合分析后最終選用大疆精靈4RTK作為飛行器，精靈4RTK體積小便于攜帶，對起降場地要求低，對于長距離帶狀的測區便于更換起飛點，自帶RTK模塊可以提供高精度POS數據。

由于項目帶狀分布且距離較長，根據飛機特性與作業時長，最終將此項目分為34塊，并分別制作每一塊航飛范圍線的KML文件以便正式航飛時使用。

根據項目要求，需獲取1∶2000DLG數據，所以飛行航高設置為150m。

航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，航飛模式為3D/井字飛行。

本項目共獲得有效照片10萬余張。相片控制點470個，檢查點300個。

3.2.2 內業數據處理

收到外業數據后，對數據完整性、正確性進行檢查，然后進行數據整理，為空中三角測量做準備。利用ContextCapture Center軟件進行空中三角測量和三維模型重建。其流程如下：

整理照片、POS數據→打開ContextCapture Center→新建項目→導入照片→導入POS數據→導入像控點、檢查點數據→進行空中三角測量→像控點檢查點的轉刺→再次進行空中三角測量→三維模型重建。部分三維模型如圖2所示。

圖2 部分三維模型

3.2.3 DLG制作

利用EPS地理信息工作站的三維測圖功能，在重建后的三維模型上進行，居民地、道路設施、水系設施等地形地貌采集，采集完成后再根據地形進行高程點的提取，然后導出數據進行地形圖初編。EPS裸眼三維采集圖如圖3所示。

圖3 EPS裸眼三維采集

外業對內業無法判別屬性，或是由于模型拉花不能準確采集邊界的地物進行調繪與補測，然后在初編圖的基礎上進行地形圖修飾，并提交成果。DLG成果如圖4所示。

圖4 DLG成果

3.3 精度分析

精度驗證包括，模型精度驗證和DLG精度驗證。將模型上所測的坐標與其對應位置的實測坐標進行對比，得出坐標差值計算最終中誤差。根據《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范》對高程精度和平面基本精度的要求[9]如表1、表2所示。

表1 高程精度 單位：m

表2 平面精度 單位：mm

3.3.1 三維模型精度驗證

在三維模型重建結束后，從770個檢查點和像控點中均勻選取200個像片控點和檢查點進行精度驗證。其中粗差點5個，占比2.5%，經計算得出平面中誤差為0.11m，高程中誤差為0.18m，模型精度檢查合格率為98.4%，故模型精度符合航測內業要求。部分點位誤差對照如表3所示。

表3 模型精度對照 單位：m

3.3.2 DLG精度檢查

在DLG制作完成后外業實測了1500個點位作為精度檢查點。將模型上所測得點位與實測點位進行對比，其中粗差點50個，占比為3.3%。根據誤差統計要求和中誤差計算公式。計算1450個檢查點得出DLG平面位置中誤差為0.13m，高程中誤差為0.28m，DLG成果精度檢查合格率為95.6%。符合1∶2000地形圖測繪的精度要求。部分點位精度對照如表4所示。

表4 DLG精度對照 單位：m

3.4 結果

(1)本次68km河道帶狀地形圖生產，從資料收集到成果提交共計46個工天，利用無人機傾斜攝影測量技術進行1∶2000河道帶狀地形圖測繪，比傳統方式效率提高了近3倍。

(2)利用無人機傾斜攝影測量技術進行1∶2000地形圖測繪，完全滿足1∶2000地形圖測繪的精度要求。

(3)利用無人機傾斜攝影測量技術進行1∶2000河道帶狀地形圖測繪，可提供直觀的三維模型，為河湖管理等工作提供直觀可靠的數據。

4 結論與展望

本文將無人機傾斜攝影測量技術運用于河湖劃界1∶2000帶狀地形圖測繪，通過無人機獲取高分辨率影像，利用ContextCapture Center軟件進行三維模型重建，以及利用EPS三維測圖功能進行DLG生產。經檢驗最終得到了完全滿足精度要求的1∶2000河道帶狀地形圖。同時也證明了無人機傾斜攝影測量技術完全可以運用于河湖劃界項目中，并且能夠快速、高效、高精度地完成項目需要。

隨著無人機傾斜攝影測量技術的不斷發展，將來還可運用于河湖生態治理，水資源保護，水資源勘察等眾多水利相關工作中，無人機傾斜攝影測量技術在水利等行業具有很好的應用價值。